【卫星+5G】卫星通信与地面5G融合技术初探（三）
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前文回顾：
作者 | 汪春霆 李宁 翟立君 卢宁宁
为了实现卫星通信与地面5G移动通信的有效融合，应对由于卫星高动态、大空间尺度、卫星功率及载荷受限等一系列挑战，需要在传输、频率管理及组网方面突破一系列关键技术。
在3GPP对于NTN的设想中，建议星地采用相似的多载波传输技术，而大多普勒频移是制约5G传输体制在卫星系统中应用的主要因素，尤其是在非静止轨道的卫星移动通信系统中，由于卫星运动引起的多普勒频移与卫星轨道高度、轨道类型、地球站纬度和在卫星覆盖区的位置具有一定的关系。当地球站看到卫星从地平面升起或消失时有最大的多普勒频移；当卫星移动到仰角90度位置时，多普勒频移为零，但变化率达到最大。
5G系统的基本传输体制仍为OFDM，OFDM和DFT-S-OFDM系统对频率偏移均非常敏感，很小的频率偏移都可能破坏子载波间的正交性，从而产生载波间干扰（ICI）并造成系统性能的严重下降[1]。一般来说，采用了频率同步算法后，要求归一化残余频偏不超过子载波带宽的5%。
由于归一化残余频偏的大小是相对于子载波的带宽而言，采用可变子载波带宽的设计方案可有效抵抗残余频偏对系统性能的影响。对于L频段来说，由于可用频带较窄，且需要支持码率低至2.4Kbps的话音业务，应采用15KHz或者更窄的子载波设计。其次，L频段要求较小的可用仰角（例如铱星系统设计最小仰角低至10°），在L频段的形成的最大多普勒远大于15KHz，因此只利用常见的载波同步算法不能解决这种场景下的多普勒问题。在Ka频段，由于用户往往是宽带上网，可以采用较大的子载波宽度，且最小仰角较大（OneWeb系统要求为55°），有利于对抗多普勒效应。如果设计超过2.4MHz的子载波，则30GHz载频、800Km轨道卫星运动造成的多普勒可以小于载频的5%。5G目前设计的最大子载波宽度仅为480KHz，更大的子载波配置对信道、编码的适配提出了新的要求。
采用星历进行预先补偿是另一个可行办法。卫星星历是一组描述卫星运动轨道某一时刻的轨道根数及其变化率的参数集。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度星历可以利用广播控制信道BCCH发送到终端，终端可以利用该信息进行预先补偿。但是低轨道卫星的也存在轨道位置保持问题，其一般可控制在1°以内。系统设计中必须利用上述多种方案来综合解解决该问题。
物联网是5G系统的典型应用场景之一，在基于卫星通信的物联网系统中，系统带宽需求和限制应比地面IoT接入系统带宽更窄，以4G衍生的NB-IoT标准模式为参考，其基本带宽为200KHz，与5G刚刚确定的NR标准规范[2]的最小带宽颗粒度一致（即12个子载波）；而时域上5G的NR标准也维持了0.5ms/1ms的时隙RBE资源颗粒度范围。但从卫星接入来看，由于受限功率约束、极长的传输时延特征更为明显，因此可以进行适配卫星的适应性改造，主要方向包括：降低频域RBE颗粒度，将其空中接口最小资源颗粒度降低为大约60KHz（4个子载波）或者更小，形成更窄带的广域接入；构建灵活的、可配置、可拉伸的短 突发信号波形，使得在长时延卫星信道下提高接入、捕获成功概率。同时，为对抗卫星传输的远距离空间传播损耗和星上载荷功放能力限制，卫星物联网还必须在短突发包长基础上实现相对地面更低信噪比的接收处理能力。文献[3][4]研究了基于LDPC码的极低信噪比接收问题。最后，卫星通信系统作为典型的功率受限系统，尤其通信链路性能因空间段功放能力受限而经常被非线性因素严重影响，从而导致通信链路处于典型的非高斯、甚至非平稳噪声/干扰传播环境中。如何对非高斯噪声进行有效学习和估计，良好适配卫星功放非线性约束下传输链路的高质量接收实现也是需要解决的问题。
如前文所述，卫星通信RTT长度通常超过了HARQ最大定时器长度，如何在卫星系统中将其与功率控制、FEC以及交织方案相结合是研究的一个热点问题[5][6]。
卫星移动通信质量依赖于直射信号(Line Of Sight,LOS)存在。根据LOS信号的有无，可以将移动信道建立为包含“Good”和“Bad”两个状态Markov模型。由于卫星信道固有的长延时，因此不论是功率控制技术还是自适应编码传输技术都无法快速、准确跟踪遮挡带来的信道状的变化，处于“Bad”状态下的链路上不可避免地将产生了突发误码。文献[6]研究了如何利用HARQ和交织技术解决突发误码条件下的TCP协议传输问题，结果表明长延时条件下如果仅单纯采用交织和FEC编码技术，则必须配置足够长的交织深度以及较低的编码码率。反之，如果能够结合HARQ机制进行联合优化，则仍然可以取得较好的性能。这里可以参考ITU发布文献[8]提出的两状态Markov模型对不同频段条件下的交织深度进行设计。根据该标准，每个状态的持续时间为对数正分布，该结论覆盖率20GHz载频配置。文献[8]给出了模型的详细参数，例如每个状态的平均持续时间。
此外，地面系统中，HARQ需要满足以下条件：
其中，NHARQ,min是HARQ最小的进程数，TTI是TB的传输时间，THARD是从发送TB到收到ACK/NACK的总时间。因为卫星通信较大的RTT，增加并行HARQ的进程数也是必要的。
卫星利用多波束天线在地面形成蜂窝状覆盖，一个波束对应一个小区。波束在地面的覆盖区有两种形式：卫星固定覆盖与地面固定覆盖，两种覆盖对应的切换方式分别为异步切换与同步切换，其特点如下表所示。同步切换由于对星上可变多波束形成能力、覆盖区规划要求较高，因此建议系统采用卫星固定波束覆盖形式。但这将导致终端频繁的在卫星波束间和卫星间切换，为漫游带来了挑战。
表3 LEO卫星不同波束覆盖方式的优缺点[9]
一种较为利与实现的方法是利用星历对卫星轨道进行估计，从而提前预知需要切换的波束或者卫星，从而预分配信道资源来加快切换过程。在低轨道星座通信场景中，如何选择下一颗卫星需要综合考虑空间路由和待选卫星的可持续覆盖时间，采用如“最短路径优先”、“最长覆盖时间”等不同的策略[10]。
频率资源是制约卫星与地面5G融合的关键性因素，为了缓解频率资源紧张的问题，可以考虑针对高频段采用地面5G网络和卫星网络的频率复用。在通过合理的进行频谱规划、辅助基站设置，可实现卫星和地面两种相对独立的网络之间频谱共享，从而显著提高系统容量。
频率资源的高效使用需要通过星地协同规划实现优化配置。例如，在L、S等低频段，星地可以采用不同载频，由地面基站服务小区中心用户，由卫星为小区边缘用户提供服务（图12(a)），此方案可以同时提高地面蜂窝网的频率复用效率；在Ku、Ka等高频段，由于天线波束角较窄，可以利用波束的自然空间分割降低系统间干扰（图12(b)）。
图12 星地频率协同规划
除了频率复用技术以外，采用协同频谱感知技术可以有效地实现频谱共享，让多个用户利用同一频段进行通信，提高频段的用户容量，提高频谱利用效率。与地面无线通信网络相比，卫星通信覆盖范围的广域性使得认知用户对所处网络环境中所有频谱进行检测的难度大大增加，频谱数据库的快速更新、认知区域描述、精确的频谱感知与波束形成都是这一技术的研究重点。
为了实现与地面5G的高效、可靠的融合，将卫星核心网的控制功能和转发功能实现分离，转发功能进一步简化下沉，将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘，以支持高流量的传输要求和灵活均衡的流量负载调度。借助虚拟化、SDN/NFV、高性能存储和信息处理等技术，实现天地融合网络的业务控制、资源分配、用户管理和安全管控，从而支持大容量、高速率和高可靠的各种业务，高效满足各类业务的多种差异化需求。
卫星通信系统核心网采用与地面5G核心网相同的架构，整个核心网分为控制平面和用户平面，位于控制平面内的网络功能通过基于服务的接口提供服务功能，其他的网络功能可以重用某一网络功能的服务功能。网络功能可以为不同的用户提供不同的服务功能，网络功能提供的服务是相互独立的，可重用的。
在3GPP提供基本服务功能的9个网络功能（NF）之外，为了支持与地面的融合，需要在5G卫星核心网的用户平面上，需要增加的两个网络功能包括[10]（图13）：
图13 卫星与地面5G融合的核心网网络架构
1）非3GPP互联功能(N3IWF)：支持和UE之间的IP安全加密链路的建立，转发UE和AMF之间的上下行控制平面的NAS信号，转发UE和UPF之间的上下行的用户平面的包，执行QoS相对应的N3的分组标记，非3GPP接入网中本地移动锚的功能；
2）用户平面功能（UPF）：支持分组路由和转发，包检查，策略规则执行，用户平面的OoS处理，下行链路包缓冲和下行数据通知触发的功能。
卫星接入网与核心网之间接口实现各类业务承载的建立、保持、修改和删除等功能，是实现用户和网络系统之间的业务连接的接口，对于管道类业务和移动通信类业务两种不同的业务，其核心网接口设计也有所差别。
1）基于管道类业务。在此网络架构中，卫星通过Y1接口直接与用户相连，卫星只具有中继转发的功能。卫星通过Y2接口接入核心网中用户平面的非3GPP互联功能(N3IWF)，再通过N3IWF与核心网中的其他功能模块连接，以实现5G卫星通信所提供的服务。
2）移动通信类业务。在此架构中，卫星通过地面的中继站与用户相连，地面中继站通过Y1口连接用户；在核心网一侧通过Y2接口接入N3IWF，再与核心网中的其他功能模块连接。
[1]孙骏亚.OFDM移动通信系统中多普勒频移估计研究[M].西安电子科技大学,硕士论文，2016。
[2]3GPP.NR; Physical layer; General description(Release 15),3GPP, TS 38.201.2018.
[3]包建荣，詹亚锋，殷柳国.低SNR下基于LDPC译码的迭代SNR估计[J].通信技术2010, 43(1)：3-6.
[4]张高远.极低信噪比下的相位差错及其采用LDPC码的差错控制[M].电子科技大学，2015博士论文
[5]Papaleo M,Neri M, Vanelli-Coralli A. Using LTE in 4G satellite communications: Increasing time diversity through forced retransmission [C].10th International Workshop on Signal Processing for Space Communications, 2008:1-4.
[6]Awoseyila A B, Evans B G. Improved time diversity for LTE over satellite using split multicode transmission [J].
[7]Jing Z, Roy S. Performance of land mobile satellite communication (LMSC) channel with hybrid FEC/ARQ[C]. IEEE Global Telecommunications Conference, 2001: 2851-2854.
[8]Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017)， Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems.
[9]晏坚.低轨卫星星座网络IP路由技术研究[M].清华大学，博士论文，2010.
[10]李庆，朱立东，吴诗其.低轨卫星通信系统中快速终端的切换技术[J].通信学报,2006 , 27 (5) :120-125